随着社会的发展进步，传统汽车（主要以汽油和柴油为燃料）保有量逐年增加，使得能源、温室气体、空气质量等三方面主要问题陷入了恶性循环。能源和环境是实现可持续发展的必要条件。减少和消除对石油的依赖是一项有关全球经济安全和能源安全的紧迫任务，具体途径有三种：研究各种降低百公里油耗的方法、开发各种替代石油的新燃料、开发不用或少用燃油的新型车辆。如今随着动力电池、电机以及电力电子技术的发展，电动汽车具有有效解决上述问题的可能性。
未来10年，混合动力电动汽车(HEV)将会迅速发展，并占有一定的市场规模。但是混合动力电动汽车由于存在着三大主要问题——价格高、效率低、仍然使用较多汽油/柴油，因此远景并不乐观[1]。目前HEV的发展方向是可外接充电式混合动力电动汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）。PHEV是指可以使用电力网（包括家用电源插座，例如220V电源）对动力电池进行充电的混合动力电动汽车。PHEV具有纯电动行驶较长距离的功能，但需要时仍然可以以全混合模式工作，其最大的特点是将混合动力驱动系统和纯电动驱动系统相结合，可以大大改善HEV的有害气体、温室气体排放和燃油经济性，提高纯电动汽车的动力性能和续驶里程[2]。因此PHEV是一种最有发展前景的混合动力电动汽车驱动模式，也是向最终的清洁能源汽车（BEV和FCEV）过渡的最佳方案之一[3]。
1 HEV的分类及PHEV的特点
1.1 HEV的分类
HEV的分类可用拓扑图形的方式来表达，如图1所示。
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图1 HEV的拓扑分类
如果只有内燃机一种动力源，全部由燃油箱给汽车提供能量，就是传统汽车；如果只有电机一种动力源，同时给汽车提供能量的能量源有动力电池或者氢燃料电池，则分别为纯电动汽车或纯燃料电池电动汽车。动力电池和氢燃料电池的发展最终导致不同的汽车技术向纯电动汽车和燃料电池电动汽车发展。
由图1可知：以纯电动汽车为分界，上部为并联混合系统，下部为串联混合系统。从系统能量流和功率流的配置结构关系的角度来看，凡是同时有两种驱动车辆的动力源，例如车轮同时由内燃机和电机驱动，则为并联混合动力系统；凡是驱动车辆的动力源只有电机一种，但给电机供应能量的能量源有两种（如动力电池、辅助动力单元或燃料电池），则为串联混合动力系统。
从使用动力电池—电机与内燃机的搭配比例来看，混合动力电动汽车可分为四种类型：只具备自动起停、怠速关机功能的“微混合（micro hybrid）”、电机不能单独驱动车辆行驶的“轻混合(mild hybrid)”和电机、内燃机都可以独立或共同驱动车辆的“全混合(full hybrid)”，以及随着电功率的比例逐步提高，最终过渡到 “可外接充电式混合(plug-in hybrid)”。由此可见，PHEV用电机、内燃机和动力电池特点如下：电机功率与纯电动情况基本相同（或稍小），视根据纯电动行驶模式的动力性能要求而定；内燃机比常规混合动力车小；动力电池容量（应保证必要的纯电动行驶里程）要比全混合系统的大，比纯电动车辆的小，同时动力电池的功率也随之增加。
1.2 PHEV的特点
1) 具有纯电动汽车的全部优点：低噪音、零排放及高能量效率。
2) PHEV介于纯电动和常规混合动力电动汽车之间，里程短时采用纯电动模式（例如，在一周工作日内上下班），里程长时采用以内燃机为主的混合动力模式（例如，周末长途旅游）。
3) 可利用外部公用电网（主要是晚间低谷电力）对车载动力电池进行均衡充电，不仅可改善电厂发电机组效率、解决电价问题，而且可大大降低对石油的依赖，从而减少去加油站加油的次数；另外用电比燃油便宜，可以显著减少燃油使用量，降低使用成本。
由于这些特点，使得PHEV成为电动汽车的一个重要研究和发展方向。在美国一些民间组织和电力集团的推动下，PHEV已受到相关政府部门、社会和企业届的广泛关注。美国总统布什2006年多次发表讲话，提出支持发展PHEV。例如，2006年2月下旬布什在Johnson Controls公司的讲话中谈到plug-in混合动力技术时说：“PHEV是能源策略的一个重要部分，美国政府将提供3100万美元来加速研究这项先进技术”[4]。
2 PHEV动力系统构型研究
2.1 PHEV的发展历程
自上世纪90年代以来，国外一些大学、实验室和工业部门一直在进行PHEV的研究。其中University of California Davis(UC Davis)，the Electric Power Research Institute (EPRI)，Argonne National Laboratory (ANL)和California Cars Initiative（CalCars）等机构是目前PHEV研究的杰出代表。
1990年UC Davis 的Andy Frank教授开始研制PHEV原型车，2001年 Department of Energy（DOE）在UC Davis 成立了PHEV国家工程中心。2000年EPRI Market Study发起成立了 Hybrid Electric Vehicle Alliance (HEVA)，该组织的任务是促进 PHEV的商业化；自2004年9月以来，DaimlerChrysler和EPRI一直在进行PHEV delivery van (Sprinter)示范。2002年美国企业家、环境工作者和工程师发起成立了CalCars，该组织旨在倡导和推动PHEV的进步和发展；2004年9月CalCars和EnergyCS开始改装Toyota Prius，研制PHEV原型车。2006年11月GM宣布制造PHEV Saturn Vue的计划，2007年1月在北美国际车展亮相了Chevrolet Volt。2007年2月，DOE发布了一项计划草案以加速PHEV开发和部署。2007年3月布什总统访问Ford电机公司期间，该公司展示了燃料电池PHEV。另外，国外还有一些专用车辆采用plug-in技术，例如美国接送中小学生的校车、垃圾收集车等大型车辆[5]。
国外尽管对PHEV已经有许多近期商业化的建议与方案，但目前大部分仍处于原理样车研究阶段，部分车型处于示范运行阶段。一些原理样车的理论研究和演示验证表明PHEV比传统HEV可降低油耗和GHG排放。
国内在这一领域的研究至今还没有起步，由中国汽车工程学会电动车分会（清华大学）和国家863计划重大项目“节能与新能源汽车”办公室共同主办的首届“2006年PHEV技术研讨会”于2006年12月在北京西郊宾馆召开[6]。本次研讨会旨在把PHEV的概念引入中国，探讨PHEV的技术路线和技术特点，分析PHEV在中国的可行性和应用前景。
2.2 国外典型PHEV的整车动力系统结构分析
PHEV动力系统主要可分为并联式、串联式和混联式三种结构，其结构主要特点与传统HEV类似，不再累述。但是PHEV用发动机功率比HEV的小，电机和电池功率比HEV的大，电池可通过电力网进行充电。
1）并联式结构
EPRI/DaimlerChrysler Sprinter Vans(2003&2005) PHEV示范原理样车的动力系统采用并联式结构，如图2所示。该6辆原理样车分别在洛杉矶、纽约和德国等地进行试验运行，被试车辆均表现出很好的性能。
原理样车主要部件的性能参数：发动机采用2.7升汽油机或2.3升柴油机。电机的额定功率为72kW，峰值功率为91kW。蓄电池采用容量为14kWh的镍氢电池或锂离子电池，其纯电动行驶里程为32km，混合行驶里程为600km。
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图2 PHEV并联式结构
美国Enova 公司与校车制造厂IC Corporation合作开发的PHEV专用校车也是采用并联式结构。
2）串联式结构
Marine Corps 于2003-2004年示范的PHEV-20 HUMVEE军车的动力系统采用串联式结构，如图3所示。该车装有锂电池和四个车轮电机，主要用于战场侦察和监视。在全电动模式下，可静音行驶、无“热痕迹”、燃油费用低，这对前线作战非常有利；在要求迅速加速和爬坡时，以混合驱动模式工作；当电池组不起作用或不能使用时，以发动机单独驱动模式工作。
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图3 PHEV串联式结构
美国Odyen公司研制的plug-in混合动力垃圾收集车也是采用串联式结构。该车采用Cummins West Port 公司的CNG发动机，铅酸电池组容量为50kWh，每英里成本是原来单独使用CNG成本的50％。天然气罐储气压力4000psi，气罐容量保证最小行驶里程为322km。
3）混联式结构
美国加州萨克拉门多市政管理区2006年初委托Energy CS公司改装的Pruis PHEV动力系统结构采用混联式结构，如图4所示。
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图4 PHEV混联式动力系统结构
主要改造部分如下：电池组由原先1.3kWh镍氢电池组更换为锂离子电池组，并加装了Energy CS公司具有专利权的电池管理系统软件，可用能量从0.4kWh增加至6.5kWh；安装了输入电压为110V、功率为1.1kW的车载充电器。通过这些改造，Pruis PHEV的纯电动行驶里程可达60公里，之后转变为用汽油机驱动的混合动力工作方式，这时油耗为50mpg。
2006年6月9日至2006年9月7日，这辆改造过的Pruis PHEV与标准的2005年度Pruis HEV进行了全城市街道、城市与公路组合及高速公路三种行驶工况下的燃油经济性对比试验，试验结果见图5。
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（a）全城市街道工况 （b）组合工况 （c）高速公路工况
图5 燃油经济性试验结果
试验结果表明，全城市街道工况且行驶路程大于8英里情况下（平均每次为12.2英里），燃油经济性最好，PHEV是HEV的2.4倍；城市与公路组合工况（平均每次为14.8英里）PHEV是HEV的2倍；高速公路工况（平均每次为12.2英里）PHEV是HEV的2.2倍。
3 工作模式及控制策略
由于PHEV可通过外部电网充电，比普通HEV有较长的纯电动行驶里程，但需要时仍然可以像普通HEV一样工作。例如有一辆可以单独靠电池行驶50km的PHEV，如果旅程不超过50km（例如40km），则可以只利用电池以纯电动行驶40km，到旅程终点后，插入电源对电池充电；如果旅程超过50km，则开始的50km可以用电池以纯电动来行驶，超过50km后则可以以通常的混合动力方式行驶，到了旅程终点则再插入电源对电池充电。其电池组工作模式主要包括电量消耗模式（Charge-Depleting, CD）和电量保持模式（Charge-Sustaining, CS），控制策略主要分为纯电动策略和混合策略[7]，如图6和图7所示。
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图6 纯电动和混合策略
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图7 混合策略
1）电量消耗模式
在电池组充满电（SOC=100％）后的初期行驶阶段和车辆预定要完成行驶距离即将返回这两个阶段，车辆可以以纯电动或从电池组消耗能量的模式行驶，此时电池组的SOC可能有些波动，但其平均水平不断减少，即电量在不断消耗，直至达到某一规定的值为止。称此过程为电量消耗模式，如图6和图7的左部分所示。根据发动机是否参与工作，电量消耗模式又可分为纯电动（all-electric）模式和混合（blended）模式。
纯电动模式的工作特点是：发动机关闭；电池是唯一的能量源，电池SOC降低；零排放，一般只能达到部分动力性指标；低速、低负荷使用。当车辆启动或者只要求部分动力性指标时，采用纯电动控制策略。当电池SOC达到最小门槛值（例如30％）时，需启动发动机（在某个点电池转换到电量保持模式），为此需要大功率电池和电机。
混合模式的工作特点是：发动机和电机同时工作；电池SOC降低；高速时使用；当要求全面达到动力性指标时采用；车辆从CD纯电动到混合模式可无缝转变。当需求功率超过电池功率时发动机开始工作，采用发动机参与工作的混合策略，发动机用来补充电池和电机功率以至达到最小SOC门槛值。
2）电量保持模式
在电池组的能量消耗到一定程度（例如SOC=30％）时，为了保证车辆性能和电池组的安全性，车辆进入电量保持模式，如图6和图7的右部分所示。
电量保持模式的工作特点是：工作方式与传统的混合动力模式类似；电池SOC保持相对恒定；燃油消耗量与混合动力模式类似。控制策略类似传统混合动力，发动机和电机同时工作，电池组SOC可以有波动，但其平均值保持在某一水平上。
4 关键技术和挑战
PHEV的关键技术包括整车动力系统匹配与控制策略、动力电池、充电基础设施和电机[8],其中动力电池和充电基础设施是最关键技术。
1）整车动力系统匹配与控制策略
在混合动力系统技术的基础上，PHEV的整车开发技术主要包括动力系统参数匹配和整车控制策略两个部分，系统匹配和控制算法都需要进一步深入研究。
匹配时要注意以下两方面问题：为保证纯电动功能下的动力性能和足够的行驶里程，需要大功率电机和高能量电池；为保证混合模式下的车辆动力性能，需要大功率电池，而发动机的功率可适当减小。
从整车控制角度来说，需要解决下述问题：低SOC下如何保护电池，何时进入混合模式，如何实现全局燃料经济性最优？所以控制策略的研究要以提高整车的工作效率、电池的效率和寿命为前提。
2）PHEV对动力电池的要求
目前整车开发最主要的制约因素是动力电池的性能、寿命和成本。
1)性能：首先要保证PHEV有必要的动力性能指标和纯电动行驶里程，但又不增加太多的车辆重量，因此PHEV用动力电池必须具有足够高的能量密度和功率密度。
2)寿命：PHEV需要在低SOC时应有大功率输出（大电流放电）；高SOC时仍然有高的输入功率，以回收制动能量，这会严重影响电池寿命。例如，电池要能在SOC从100％到30%深放电工作时，仍保证有很长的循环寿命。
3) 成本：电池成本必须低到使用时的花费能够弥补购置时的费用。
锂离子电池与铅酸电池、镍氢电池相比较，锂离子电池在能量密度、功率密度等性能方面均优于其他类型电池，被普遍认为是适合PHEV用的电池。美国、日本等发达国家对锂离子电池的研究工作均给予很高重视和投入。
3）PHEV对充电基础设施的要求
与其他清洁汽车相比其基础设施更容易解决，但是需要各级政府和电力部门的大力支持。
根据美国联邦政府能源部（DOE）的研究报告，美国的电网晚上低谷电可以满足1.48亿辆PHEV的充电需要，占美国现有车辆2.2亿辆车的67%，但从供电方来看，要保证在晚上最佳充电时间充电，需要有电网与车辆之间的通讯连接，以便控制充电时间和分配必须的功率，另外还需补充专用的计费电表。
中国电网的低谷电利用情况，各个不同供电区域能支持多少辆PHEV充电等问题尚需进一步研究。
大多数中国城市居民都居住在没有独立汽车库的小区里，需进一步研究如何解决充电的方案；但是，中国各机关单位的公务车、公交车、特种车都有专用的停车地点或停车库，可以安装充电设备。
4）PHEV对电机的要求
为满足在纯电动模式下启动及纯电动里程、加速和高速行驶的要求，PHEV需要更大输出功率的电机，但需要注意电机功率和能量效率之间的关系。
5 结论与展望
(1) PHEV是指可以使用电力网对动力电池进行充电的混合动力电动汽车，具有纯电动和传统混合动力电动汽车的优点，是向最终清洁能源汽车(BEV和FCEV)过渡的最优解决方案之一。
(2) 电池组的工作模式主要包括电量消耗模式和电量保持模式，控制策略主要分为纯电动策略和混合策略。
(3) 动力电池和充电基础设施是实现PHEV的最关键技术。
(4)目前由于电池尺寸、成本、寿命以及充电基础设施等其他因素使得PHEV的成本很高，但是随着电池和混合动力控制技术的发展，PHEV将会成为未来的一种汽车。PHEV的商业化需要企业界、电力公司和各级政府的共同努力以及社会各界的鼎立合作。
